一種電梯運行實時監測裝置的研制＊

金棟林，薄勤根，薄利龍，嚴 峻

（1.湖州職業技術學院，浙江 湖州 313000；2.湖州安川雙菱電梯有限公司，浙江 湖州 313000）

1 引 言

電梯是機電一體化的高技術產品，目前國產電梯的技術水平和產品質量都已進入世界先進行列，但電梯運行中關人、夾人、蹲底、沖頂等事故時有發生，電梯的質量焦點反映在運行可靠性上，而電梯運行可靠性的提高主要依靠維修保養［1］。國際上電梯技術進步的側重點已轉向售后和物業服務，美國、日本、歐洲的電梯公司都利用現代化的通訊手段和計算機技術開發了各自的電梯遠程監控系統，把自己負責維修保養的電梯置于監控網絡之中。當電梯出現故障時，能夠在第一時間發現故障，并在瞬間把故障情況自動通知監控中心，同時安撫被困乘客指導其正確呼救專職維修人員來排除故障［2－5］。

近幾年國內隨著經濟的高速發展，城市規模的不斷擴大、房地產業的急劇擴張，加上現代建筑的高層化設計趨勢，高層建筑如雨后春筍般地興起，電梯的使用量也隨之迅速增長。電梯作為一種與百姓生活密切相關又關乎人身安全的特種設備，為確保其安全可靠運行，國家及各地方政府有嚴格的監督管理條例，對電梯的維修使用、檢驗檢測及其監督檢查等各個環節提出了具體要求，明確了相關各方所應承擔的法律責任和義務。然而因故障導致電梯關人、傷人乃至奪人性命事件仍時有發生，電梯運行中仍然存在著許多急需解決的問題：

（1）電梯數量和種類多，且分布范圍廣，全面檢測所有電梯的維護保養狀況需耗費大量人力物力；（2）由于維保單位素質良莠不齊，維保記錄，電梯運行狀況記錄等數據的真實可靠性無從考證，電梯的安全狀況也就無法全面掌握造成有些電梯帶病運行埋下安全隱患；（3）電梯運行中突然斷電或其它原因造成電梯關人，被困乘客與外界聯系不上，給關在電梯內的乘客造成極大的身心傷害；（4）電梯出現故障時被困乘客無法正確報警或者與外界聯系；（5）新的特種設備安全管理條例規定電梯轎廂滯留人員2小時以下的為一般事故，但大多數情況下電梯發生故障后人們習慣向110求救，造成專業人員不能及時得到故障消息，因而不能在最短時間內趕到現場進行施救。

基于以上問題，必須運用計算機技術和現代通訊技術建立電梯運行實時監測與故障報警系統，從技術上根本解決上述問題。以下就城市電梯安全保障體系關鍵技術中的電梯運行實時監測裝置進行論述。

2 電梯運行實時監控裝置的研制

目前，電梯運行實時監控裝置產品主要由陜西億豐電子工程有限公司開發的YD03－5B電梯運行狀態跟蹤追憶評估系統等，它們主要是通過安裝在電梯上的實時采集前端對電梯的工作情況實行不間斷地監控，這種產品是獨立于電梯本身的控制系統，將電梯的各個運行參數通過獨立于電梯本身控制系統的傳感器采集回來，在井道、機房、轎廂、層門內安裝各種接近開關、紅外開關及一些模擬傳感器［6］。這樣做的好處是做到通用，但成本過高，每臺電梯相當于多加了一套測控系統，而且傳感器的布設及數據線纜的敷設工作量大，很難大范圍推廣應用，因此必須加以改進才能適應電梯實時監控的要求。

2.1 電梯故障分類

電梯按照故障的嚴重程度可以大致分以下三大類，第一類：故障最嚴重，電梯立即停止，不能再起動，在非門區直接導致關人；第二類：運行中電梯立即停止，但可重新起動，執行低速自救，使電梯以低速運行到最近層或端站開門放出乘客，停止后不能再起動；第三類：屬于小故障，故障帶有偶然性，發生后可能自動解除，對安全及整體運行影響細微。詳細分類見表1：

表1 電梯故障分類表

03 控制系統故障安全回路繼電器粘連故障 第二類變頻器不運行故障 第二類旋轉編碼器故障 第二類廳門鎖粘連故障 第二類運行接觸器斷開故障 第一類變頻門機故障 第二類電梯過低速故障 第二類電源瞬時停電故障 第一類過電流、過電壓、欠電壓故障 第一類輸入、輸出側相故障 第一類電梯超速故障 第類驅動器、電機過載故障 第一類04 其它開、關門障礙 第三類微動平層感應器故障 第二類平層時間過長故障 第二類召喚按鈕故障 第三類起動頻度超負荷故障 第三類防夾人裝置故障 第二類___________________________________________________________檢修異常 第二類

考慮到監測裝置成本及以后大范圍推廣的需要，通過對幾個信號的綜合采樣、邏輯判斷、智能分析等實現對電梯常見的、重要的、涉及人身及設備安全的故障報警，這里主要針對第一類故障進行報警。

2.2 獨立傳感采集裝置設計

裝置采用嵌入式系統和模塊化設計，運用光電隔離、電流互感、外加傳感器等技術，使采集器的采樣信號與電梯源控制系統完全隔離，確保采集信號不影響電梯自身的運行，即本監測裝置安裝后，對電梯原控制系統無任何影響和干擾，是一套隔離外掛系統。裝置以Mega MCU為核心，擴展外圍時鐘芯片、存儲器件和I／O口。加裝的傳感器包括人體感應傳感器、基站位置傳感器、上極限位置傳感器、下極限位置傳感器、門開關位置傳感器、平層測速傳感器。人體感應傳感器是基于人體釋放紅外線的原理，安裝在轎廂內。位置傳感器均采用霍爾元件，兩者輸出均為I／O信號，安裝在基站平層，上、下極限相應位置。平層測速傳感器由上下布置的兩對光耦構成，當兩對光耦同時被平層插板遮擋時，電梯處于平層位置，根據兩對光耦被遮擋的先后順序和遮擋時間以及光耦的長度，可以推算出電梯運行的速度和方向，推算方法為：

式（1）中tu為上平層光耦從未被遮擋向被遮擋轉變的時刻，td為下平層光耦從未被遮擋向被遮擋轉變的時刻；式（2）中L為兩個平層光耦之間的距離。d＝1時電梯上行，d＝－1時，電梯下行，v為電梯運行速度。

獨立傳感采集裝置能夠采集到電梯速度、方向、層站、門開關等狀態，并根據推理邏輯，判斷電梯運行狀態是否正常，以及故障狀態下的具體故障類型，包括：l）非平層區停梯故障；2）非平層區停梯，轎廂內有人；3）運行時間超長故障；4）運行時間超長，轎廂內有人；5）電梯沖頂故障；6）電梯沖頂，轎廂內有人；7）電梯蹲底故障；8）電梯蹲底，轎廂內有人；9）電梯運行中開門故障；10）電梯運行中開門，轎廂內有人；電梯困人故障（處于平層區域，長時間不開門）；12）電梯超速故障；13）電梯超速，轎廂內有人；14）電梯停電故障；15）電梯停電，轎廂內有人等故障。因此，獨立傳感采集裝置適用于所有品牌和型號的曳引式電梯。

2.3 信號傳輸

采集信號經裝置智能分析判斷出故障后，由Mega MCU通訊口RS485經過電梯隨行電纜線傳輸到機房，再經過機房的轉換器把信號接入網絡到電梯應急救援指揮中心，也可以采用無線方式通過GPRS把信號直接上傳至救援平臺。傳輸模式如下圖：

圖1 信號傳輸模式框圖

此外轎廂內還可有選擇的安裝音、視頻設備，實現轎廂內乘客和應急指揮中心的雙向通訊。

2.4 位置控制系統原理

先進的傳感器對馬達轉子的運行狀態進行高精度的實時信號反饋，實現將在并道內上下運行的轎廂定位達到毫米級的精度實現幾乎無誤差的平層。可靠的轎廂位移記憶技術，確保了電梯停站提前開門和平層安全的功能。如圖2所示。

圖2 位置控制系統原理框圖

2.5 監控裝置硬件設計

電梯監控裝置硬件結構主要由無線通信終端，主控制模塊、電源模塊、語音通話模塊構成如圖3所示。

圖3 裝置結構框圖

其中電源模塊負責為其它模塊供電，同時帶有小型UPS電池以確保在電梯停電時裝置仍能正常工作；語音通話裝置除了提供在電梯轎廂、轎頂、底坑之間的三方通話。同時當電梯發生關人等嚴重故障時能通過GPRS通訊模塊與遠程監控中心的人員進行通話實現遠程安慰、遠程指導救援；主控制模塊要完成與語音通訊裝置、GPRS通訊模塊、遠程監控中心、CAT接口電梯的通訊，這里選擇了FREESCALE公司的9S12D64作為主控制模塊的主控芯片它集成了64Kbyte FLASH、4Kbyte RAM、lK byte EEPROM、2路UART、1路SPI、8路TIMER、8路PWM、29路I／O、1路CAN 2.0，豐富的接口簡化了主控制模塊的設計，只需再增加1片SPI接口的時鐘芯片（DS1390），CAT收發器（TJA1040T），以及一些接口控制芯片這大大降低了成本，提高了穩定性。

3 裝置調試效果

裝置在湖州安川雙菱電梯有限公司電梯上安裝調試，目前已模擬出上述15種電梯常見的重要故障。裝置采集快、運行良好，信號傳輸通暢，能把故障信息實時反映到湖州市應急處置中心救援平臺。處置中心電梯安全運行監視軟件平臺上，可以查看裝備了獨立傳感采集裝置電梯的運行狀態，也可以監視電梯內的視頻，并進行語音雙向對講。

4 結 語

本項目設計的獨立傳感采集裝置不僅可以及時上報電梯關人等故障，同時還可以監管電梯維保人員的工作情況和電梯運行情況。裝置為建立城市電梯安全監控網絡提供了技術支持，使電梯在發生故障時得到第一時間響應，第一時間救援，從而最大限度的降低事故的影響。

［1］袁 園.GPRS在電梯監控系統通信中的應用［D］.重慶大學碩士學位論文，2008.

［2］王華強.OCS在電梯遠程監控系統中的應用［J］.國內外機電一體化技術，2008（7）：56－57.

［3］張建民.電梯核心控制器網絡化關鍵技術設計與實現［D］.天津大學碩士論文，2007.

［4］趙 莉.基于復合網絡結構的電梯監控與管理系統［D］.重慶大學碩士學位論文，2007.

［5］馬永芳.電梯故障診斷系統的構架設計和算法研究［D］.浙江大學碩士學位論文，2010.

［6］程 峰.電梯遠程監控技術及其發展［J］.科技信息，2010（18）：728－729.